Đồ án Chưng cất liên tục hỗn hợp rượu metylic- Nước

thực nghiệm: Gọi x,y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rượu mêtylic (tính theo phần mol) t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg). Theo bảng IX.2a-Sổ tay QT&TBCN Hóa học Tập 2, trang 149 ,ta có: X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 T 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5 Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rươụ metylic và nước (Hình 1) và đồ thị biểu diễn đường cong sôi (Hình 2) . Theo đồ thị đường cân bằng ta xác định được y*F = 0,64 phần mol là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu. Theo đồ thị đường cong sôi ta xác định được nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu tsF =89 0C ,của sản phẩm đỉnh tsP = 65,50C ,của sản phẩm đáy tsW= 970C . Chỉ số hồi lưu tối thiểu được xác định bằng công thức : Rxmin = = = 0,847 Hình vẽ 1,2,3: 2.Xác định RX thích hợp : Việc xác định RX thích hợp ta làm như sau: Lấy vài giá trị RX > RXmin , với mỗi giá trị RX đã lấy ta tính xP/(RX+1) là giá trị tung độ của đường nồng độ làm việc , vẽ đường làm việc đoạn chưng và đoạn luyện ,từ đó xác định số đĩa lý thuyết N ứng với mỗi giá trị RX.Lập đồ thị với trục tung là N.(RX+) ,trục hoành là RX (Hình 3). Từ đồ thị ,xác định điểm cực tiểu , từ điểm cực tiểu suy ra RX thích hợp . RXopt= 1,6 Từ RX thích hợp ,vẽ lại đường nồng độ làm việc đoạn chưng và đoạn luyện và xác định được số đĩa lý thuyết. Nlt = 14 (đĩa) (4 đĩa chưng và 10 đĩa luyện). 3.Phương trình đường nồng độ làm việc: Đoạn chưng : x = Với L là lượng hồn hợp đầu tính trên 1 đơn vị sản phẩm đỉnh, L= => x = = 0,474.y + 0,0059 Đoạn luyện: x = = = 0,615.x + 0,371 4.Xác định số đĩa thực tế : Số đĩa thực tế được xác định theo công thức : Ntt = Với là hiệu suất trung bình của thiết bị,là hàm của độ bay hơi tương đối a và độ nhớt m của hỗn hợp m = f(a,h). a = Độ nhớt: lgmhh=n.lgm1 + (1-n)lgm2 n là nồng độ cấu tử thứ nhất n -1 là nồng độ cấu tử thứ hai m1 ,m2 là độ nhớt hai cấu tử. h= htb = h1 + h2 + h3 ) Với h1 là hiệu suất ứng với đĩa trên cùng h2 là hiệu suất ứng với đĩa tiếp liệu h3 là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng *Ứng với đĩa tiếp liệu : Độ bay hơi: aF = Độ nhớt : với tSF = 890C lgmF = = 0,2564.lg0,33 + (1 - 0,2564).lg0,3202 = -0,491 => mF = 0,323 (Cp) Tích mF.aF = 0,323.5,156 = 1,665 .Tra đồ thị hình IX.11 trang 171Sổ tay QT&TB CN Hóa học Tập 2 ta được hiệu suất của đĩa tiếp liệu h2 = 44 %. *Ứng với đĩa trên cùng : Độ bay hơi : aP = Độ nhớt : với tSP = 65,50C lgmP = = 0,965.lg0,49 + (1 - 0,965).lg0,4324 = -0,3117 => mP = 0,488 (Cp) Tích mF.aF = 0,488.1,777 = 0,88 .Tra đồ thị hình IX.11 trang 171Sổ tay QT & TB CN Hóa học Tập 2 ta được hiệu suất của đĩa trên cùng h1 = 50 %. *Ứng với đĩa cuối cùng: Độ bay hơi: aW = Độ nhớt : với tSW = 970C lgmW = = 0,0113.lg0,293 + (1 - 0,0113).lg0,293 = -0,533 => mW = 0,293 (Cp) Tích mF.aF = 0,293.7,608 = 2,23 .Tra đồ thị hình IX.11 trang 171 Sổ tay QT & TB CN Hóa học Tập 2 ta được hiệu suất của đĩa trên cùng h3 = 40 %. Vậy hiệu suất trung bình: htb = (h1 + h2 + h3) = (44 + 50 + 40) = 44,667 (%) Số đĩa thực tế là : Ntt = Vậy thục tế phải chọn 31 đĩa , trong đó số đĩa đoạn chưng là 9 đĩa và số đĩa đoạn luyện là 22 đĩa . (yF , yP , yW được xác định từ đồ thị đường cân bằng hình 1) (Độ nhớt của rượu mêtylic theo nhiệt độ được tra ở Bảng dùng cho toán đồ h.I.18 trang 93 Sổ tay QT&TB CN Hóa học Tập 2. Độ nhớt của nước theo nhiệt độ được tra ở Bảng I.102 trang 94). Chương II: TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ Đường kính tháp được xác định từ công thức (IX.89) Sổ tay QT&TBCN Hóa học : D = , m Hoặc D = 0,0188. , m Trong đó : Vtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp , m3/h wtb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , m/s gtb - lượng hơi trung bình đi trong tháp ,kg/h (ry.wy)tb - tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , kg/m2.s I.Đường kính đoạn luyện: 1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gtb có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp gđ và lượng hơi đi vào dưới cùng g1 của đoạn luyện : gtb = , kg/h Trong đó , gđ = GR +GP = GP(RX+1) công thức IX .92 trang 181 Sổ tay QTTB tập 2. Với GR : lượng lỏng hồi lưu , kg/h GP : lượng sản phẩm đỉnh, kg/h RX : chỉ số hồi lưu = > gđ = 514(1,6+1) = 1 336,4 kg/h Lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình cho ở trang 173 Sổ tay QTTB tập 2 : Trong đó x1 = aF = 0,38 (phần khối lượng) xP = aP = 0,98 (phần khối lượng) G1:lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện rđ :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp r1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện r1= ra .y1 +(1-y1).rb rđ= ra .y1 +(1-yđ).rb ra , rb :ẩn nhiệt hóa hơi của rượu metylic và nước . yđ = aP = 0,98 phần khối lượng . *Tính r1: hỗn hợp đầu vào tháp ở 890C nên ta phải tính ra , rb ở 890C. Theo bảng I.212 trang 254 Sổ tay QTTB tập 1 ta có: Ơ 600C : ra1 = 265 kcal/kg rb1 =579 kcal/kg Ở 1000C ra2 = 242 kcal/kg rb2 = 539 kcal/kg = > kcal/kg kcal/kg = > kcal/kg.độ kcal/kg.độ Theo phương pháp nội suy ta tính ra ,rb ở 890C : ra89 = ra60 + kcal/kg rb89 = rb60 + kcal/kg Vậy r1 = ra.y1 +(1-y1).rb = 248,325.y1 + (1-y1).550 = 550 - 301,675.y1 *Tính rđ :hơi đi ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ 65,50C,tương tự như trên: ra65,5 = ra60 + kcal/kg rb65,5 = rb60 + kcal/kg Vậy rđ = ra.yđ + (1- yđ).rb = 261,84.0,98 +(1-0,98).573,5 = 268,07 kcal/kg Vậy ta có hệ phương trình : Giải hệ ta được : -Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện : gtb = -Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện : Gtb = -Thành phần hơi cân bằng đi trên đoạn luyện : ytb = phần khối lượng =0,73 phần mol -Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi : = ytb.MA +(1- ytb).MB = 0,73.32 + (1-0,73).18 = 28,22 đvC 2.Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện : (rywy)tb = 0,065j[s]. ,kg/m2.s - Công thức IX.105 trang 184 Sổ tay QTTB tập 2. rxtb ,rytb :khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình , kg/m3. h : khoảng cách các đĩa trong tháp,m,với giá trị h được chọn theo đường kính tháp . j[s] : hệ số tính đến sức căng bề mặt. *Tính j[s] ở nhiệt độ trung bình : Nhiệt độ trung bình trong đoạn luyện : ttb = Theo bảng I.242 trang 300 Sổ tay QTTB tập 1 ta có sức căng bề mặt của rươụ và nước : Ơ 600C : sa1 = 19,3.103 N/m = 19,3 dyn/cm (metylic) sb1 = 66,2 dyn/cm (nước) Ơ 800c : sa2 = 17,6 dyn/cm (metylic) sb2 = 62,6 dyn/cm (nước) = > dyn/cm dyn/cm => dyn/cm.độ dyn/cm.độ Bằng phương pháp nội suy ta tính được sức căng bề mặt của metylic và nước ở 77,250C : sa77,25 = sa160 + = 19,3 - 0,085(77,25 -60) = 17,83 dyn/cm sb77,25 = sb160 + dyn/cm Sức căng bề mặt của hỗn hợp được xác định theo công thức I.76 trang 299 Sổ tay QTTB tập 1: = > dyn/cm Ta thấy shh < 20 dyn/cm nên chọn j[s] = 0,8. *Tính khối lượng riêng trung bình : Theo bảng I.2 trang 9 Sổ tay QTTB tập 1 ta có khối lượng riêng của metylic và nước : -Ở 600C : ra1 = 756 kg/m3 (metylic) rb1 = 983 kg/m3 (nước) -Ở 800C : ra2 = 736 kg/m3 (metylic) rb2 = 972 kg/m3 (nước) = > kg/m3 kg/m3 = > kg/m3.độ kg/m3.độ Theo phương pháp nội suy ,tính khối lượng riêng của metylic và nước ở 77,250C : kg/m3 kg/m3 Khối lượng riêng của hỗn hợp được tính theo công thức I.2 trang 5 Sổ tay QTTB tập 1: Với xa , xb : thành phần khối lượng trung bình của các cấu tử xa = phần khối lương = > xb = 1-xa = 0,32 phần khối lượng = > rhh = 800,6 kg/m3 rxTB = rhh =800,6 kg/m3 Khối lượng riêng của pha hơi xác định theo công thức I. 3 trang 5 Sổ tay QTTB tập 1: , p = p0 = 1 kg/m3 Vậy tốc độ trung bình của hơi trong tháp : kg/m2.s Đường kính đoạn luyện : D = 0,0188. Chọn h = 0,28 (m) = > D = 0,74 m II.Đường kính đoạn chưng: 1.Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng g’tb có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng g’n và lưọng hơi đi vào đoạn chưng g’1 : g’tb = , kg/h - Công thức IX.96 trang 183 Sổ tay QTTB tập 2. Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện nên g’n = g1 = 1036,54 kg/h Luợng hơi đi vào đọan chưng g’1 , luợng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác định theo hệ phương trình cho ở trang 183 Sổ tay QTTB tập 2 : Trong đó r’1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng ,được tính theo công thức : r’1= ra.y’1 + (1-y’1).rb với y’1 = yW là thành phần cấu tử dễ bay hơi (metylic) trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong sản phẩm đáy .Dựa vào đồ thị đường cân bằng (H.1) ứng với xW= 0,0113 ta có yW= 0,08 phần mol ứng với phần khối lượng : y’1= phần khối lượng. Theo đồ thị đường cong sôi (H.2) ta có sản phẩm đáy có nhiệt độ sôi là 970C, theo các số liệu đã có ở phần tính toán đường kính đoạn luyện ta có : ra97= ra60 + kcal/kg rb97= rb60 + kcal/kg = > r’1 = ra97.y’1 + (1-y’1).rb97 = 243,75.0,134 + (1-0,134).542 = 502,23 kcal/kg Thay r’1 , g1 , r1 vào (3) : g’1.502,03 = 1036,54.345,62 = > g’1= 713,6 kg/h Thay vào (1): G’1 = 713,6 + 1486 = 2199,6 kg/h Thay vào (2) : 2199,6.x’1= 713,6.0,9887 + 1486.0,0113 = > x’1 = 0,328 phần khối lượng Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng : g’tb = Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng : G’tb = Thành phần hơi trung bình đi trong đoạn chưng : y’tb = với y’n là hàm lượng trên đĩa trên cùng đoạn chưng xem bằng hàm lượng hơi đĩa thứ nhất đoạn luyện y’n = y1 = 0,6775 phần khối lượng = 0,54 phần mol = > y’tb = phần mol Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn chưng : hh = y’tb.MA + (1-y’tb).MB =0,31.32 + 0,69.18 = 22,34 đvC 2.Tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng (r’yw’y)tb=0,065j[s]. r’xtb ,r’ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ trung bình , kg/m3 h : khoảng cách các đĩa trong đoạn chưng ,giá trị của h chọn theo đường kính tháp . j[s] :hệ số tính đến sức căng bề mặt *Tính j[s] ở nhiệt độ trung bình đoạn chưng ttb =: Tra sức căng bề mặt của metylic và nước ở bảng I.242 trang 300 Sổ tay QTTB tập 1 ,ta có : sa180 = 17,6 dyn/cm , sa2100 = 15,7 dyn/cm sb180 = 62,6 dyn/cm , sb2100 = 58,9 dyn/cm Tính tương tự như phần luyện : Sức căng bề mặt của hỗn hợp : = > shh = 12,867 dyn/cm *Tính khối lượng riêng trung bình pha lỏng : Tra khối lượng riêng của metylic và nước ở bảng I.2 trang 9 Sổ tay QTTB tập 1, ta được : ra180 = 736 kg/m3 , ra2100 = 714 kg/m3 rb180 = 972 kg/m3 , rb2100 = 958 kg/m3 Bằng phương pháp nội suy ta có : Khối lượng riêng của hỗn hợp : xa ,xb :phần khối lượng trung bình của metylic và nước trong hỗn hợp xa = , xb = 1- xa = 0,8 phần khối luợng = > rhh = 902,53 kg/m3 = rxt Khối lượng riêng của pha hơi : Vậy tốc độ trung bình của hơi trong đoạn chưng : Đường kính đoạn chưng : D = 0,0188. D = , m Chọn h = 0,28 m = > D = 0,64 m. Vậy đường kính đoạn chưng là 0,64 m , đường kính đoạn luyện là 0,72 m nên ta chọn đường kính chung cho tháp là 0,8 m với khoảng cách các đĩa là 0,3 m . Chương III: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Gọi QD1 là nhiệt lượng do hơi nưóc cung cấp để đun sôi hỗn hợp đầu. Qf là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp. QF là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu. Qm là nhiệt lượng do mất mát . Qy là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng QR là nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp . Qh là nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi thiết bi ngưng tụ hồi lưu. QD2 là nhiệt lượng do hơi đốt đun sôi ở đáy tháp mang vào . I.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu : QD1 + Qf = QF + Qm (8) 1.Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 : QD1 = D1.r1 - Công thức IX.150 trang 196 Sổ tay QTTB tập 2 D1 : lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu , kg/h. r1 :ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước ,J/kg. Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu là 890C nên nhiệt độ của hơi nưóc phải cao ,chọn 1330C tương ứng với nước sôi ở áp suất 3 at (bảng I.97 trang 230 Sổ tay QTTB tập 1). Theo toán đồ xác định nhiệt hóa hơi trang 255 Sổ tay QTTB tập 2 ta có nhiệt hóa hơi của nước ở 1330C là r1 = 440 Kcal/kg = 1842,2 KJ/kg. 2.Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu Qf : Qf = F.Cf .tf , J/h. -Công thức I X.151 trang 196 Sổ tay QTTB tập 2. Với Cf : nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ,J/kg.độ tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp , xét ở 250C . Ta có : Cf = aA.CA + (1-aA).CB . aA : nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp đầu , aA = 0,38 CA ,CB : nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 250C . *Nhiệt dung riêng của metylic ở 250C : Tra bảng I.154 trang 172 Sổ tay QTTB tập 1 được nhiệt dung riêng của metylic theo nhiệt độ : CA20 = 2570 J/kg.độ , CA40 = 2670 J/kg.dộ = > Nhiệt dung riêng của metylic ở 250C là: CA25 = CA20 + *Nhiệt dung riêng của nước ở 250C : Tra bảng I.147 trang 165 Sổ tay QTTB tạp 1 ta có nhiệt dung riêng của nước ở 250C là CB25 = 0,99892 kcal/kg.độ = 4182,3 J/kg.độ Vậy Cf = 0,3.2595 + (1-0,3).4182,3 = 3706,11 J/kg.độ Qf = 2000.3706,11.25 = 185306 KJ/h 3.Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi QF: QF = F.CF . tF , J/h - Công thúc IX.152 trang 196 Sổ tay QTTB tập 2 . Với CF : nhiệt dung riêng hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi. tF = 890C . Ta có : CF = aF.CA + (1-aF).CB CA ,CB :nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 890C . Tra bảng nhiệt dung riêng và theo phương pháp nội suy ta có : Nhiệt dung riêng của metylic ở 890C : CA89 = CA80 + Nhiệt dung riêng của nước ở 890C : CB89 = 1,0048 Kcal/kg.độ = 4206,9 J/kg.độ = > CF = 0,3.2907,25 + 0,7.4206,9 = 3817 J/kg.độ Vậy QF = 2000.3817.89 = 679426,89 J/h . 4.Nhiệt lượng tổn hao ra môi trường xung quanh Qm : Qm = 0,05.QD1 Thay vào (*) : QD1 + Qf = QF + 0,05.QD1 = > QD1 = = > Qm = 0,05.520127,3 = 26006,4kJ/h 5.Lượng hơi đốt cần dùng để đun sôi hỗn hợp đầu : QD1 = D1.r1 = > D1 = II.Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện : Phương trình cân bằng nhiệt của tháp chưng luyện : QF +QD2 + QR = Qh + QW + Qm (** ) 1.Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp QR : QR = CR.P.RX.tR ,J/h - Công thức IX.158 Sổ tay QTTB tập 2 Với RX: chỉ số hồi lưu , RX = 1,6 P : lượng sản phẩm đỉnh, P = 514 kg/h tR : nhiệt độ lỏng hồi lưu ,tR = tF = 65,50C CR: nhiệt dung riêng của lỏng hồi lưu, CR = aP .CA + (1-aP).CB CA,CB :nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 65,50C Tra bảng nhiệt dung riêng của metylic và nước ở 600C và 800C , theo phương pháp nội suy ta có : CA65,5 = CA60 + = CB65,5 = =4189,8 J/kg.độ Vậy QR = 2815,546.514.1,6.65,5 =515665,6 KJ/h 2.Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW : QW = GW.CW.tW , J/h - Công thức I X trang 197 Sổ tay QTTB tập 2 . Với GW : lượng sản phẩm đáy , GW = 1486 kg/h CW : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy tW : nhiệt độ sản phẩm đáy , tW = 970C. Nhiệt dung riêng của nước ở 970C là : CB97 = 1,00684 kcal/kg.độ = 4215,44 J/kg.độ Do sản phẩm đáy có nồng độ metylic aW = 0,02 < 0,2 nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy được tính theo công thức I.43 trang 152 Sổ tay QTTB tập 1 : CW = CB97(1-aW) = 4215,44.(1-0,02) = 4131,13 J/kg.độ Vậy nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra : QW = 1486.4131,13.97 = 595469,5 kJ/h 3.Nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi tháp chưng Qy : Qy = P.(1+RX).lđ , J/h - Công thức IX.159 Sổ tay QTTB tập 2 Với P : lượng sản phẩm đỉnh , P = 514 kg/h . lđ :nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp ,được tính : lđ = lA.aA + lB.(1-aA) lA ,lB : nhiệt lượng riêng của metylic và nước ở đỉnh tháp aA : phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi (metylic) trong sản phẩm đỉnh ,aA = 0,98 . Nnhiệt dung riêng một cấu tử được tính theo: l = r + C.t với r: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử đó.J/kg C :nhiệt dung riêng của cấu tử ở nhiệt độ t = tP = 65,50C Nhiệt dung riêng của metylic ở 65,50C : CA = 2787,5 J/kg.độ Nhiệt dung riêng của nước ở 65,50C : CB = 4189,8 J/Kg.độ (Đã tính ở phần tính nhiệt lượng do lượng hồi lưu). = > lđ = (rA + CA.tP).aA + (rB + CB.tP).(1 - aA) = rA.aA + rB.(1-aA) + [CA.aA + CB.(1-aA)].tP = r + [CA.aA + CB.(1-aA)].tP Với r = rA.aA + rB.(1-aA) là ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ,đã tính ở phần tính đường kính đoạn luyện : rđ = 268,07 kcal/kg = 1122360 J/kg = > lđ = 1122360 + (2787,5.0,98 + 4189,8.0.02).65,5 = 1306778 J/kg Vậy nhiệt lượng do hơi mang ra khỏi đỉnh tháp : Qy = 514.(1 + 1,6).1306778 = 1 746 378 kJ/h . 4.Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp QD2 : Nhiệt lượng tổn hao Qm = 0,05.QD2 , thay vào (**) ,ta được : = kJ/h Do đó lượng hơi đốt sử dụng : D2 = Lượng nhiệt tổn hao : Qm = 0,05.QD2 = 79 513 421,5 J/h III.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tu hồi lưu: Ta dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm đỉnh . P.(RX+1).r = Gn1.Cn(t2 - t1) -Công thức IX.164 Sổ tay QTTB tập 2 . Với P : lượng sản phẩm đỉnh , P = 514 kg/h RX : chỉ số hồi lưu , RX = 1,16 Gn1:lượng nước cần dùng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu. t1,t2 :nhiệt độ của nước đi vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ hồi lưu , chọn t1 = 250C , t2 = 450C . = > Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu : ttb= Cn :nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình 350C ,theo bảng I.147 trang 165 Sổ tay QTTB tập 1 thì Cn = 0,99859 kcal/kg.độ , => Cn = 4180,89 J/kg.độ r : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đi ra khỏi đỉnh tháp , đã tính trong phần đường kính đoạn luyện , r = 268,07 kcal/kg = 1122,36 kJ/kg . Vậy lượng nước lạnh cần dùng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu : Gn1 = IV.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: Dùng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm . P.CP.(t’1-t’2) = Gn2.Cn(t2-t1) - Công thức IX.167 trang 198 Sổ tay QTTB tập 2 . Với Gn2:lượng nước lạnh dùng cho thiết bị , kg/h CP : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ ,J/kg.độ t2’,t1’: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh khi qua thiết bị làm lạnh , t2’ = 65,50C , t1’ = 350C . t1,t2 :nhiệt độ của nước đi vào và ra khỏi thiết bị làm lạnh , chọn t1 = 250C , t2 = 450C . => ttb = 350C. Cn :nhiệt dung riêng của nước ở 350C , Cn = 4180,89 J/kgđộ CP : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh ở ttb =. Tính nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ở 50,250C : CP = aA.CA + (1-aA).CB Tra bảng I.154 trang 172 Sổ tay QTTB tập 1 ta có nhiệt dung riêng của rượu metylic theo nhiệt độ : CA40 = 2670 J/kg.độ , CA60 = 2760 J/kg.độ = > CA50,25 = CA40 + = J/kg.độ Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 50,250C: CB50,25 = 0,99919 kcal/kg.độ = 4 183,4 J/kg.độ Vậy CP = 0,98.2716,13 + 0,02.4183,4 =2 745,475 J/kg.độ Lượng nước lạnh cần dùng cho thiết bị làm lạnh : kg/h. Chương IV: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƯNG LUYỆN tmin I.Kết cấu dĩa phần luyện : t1 h2 b2 l1 dch dc dh 1.Tính toán: Các công thức có gía trị sau được tra ở trang 236 Sổ tay QTTB tập 2 : Đường kính ống hơi của chóp dh = 50 mm = 0,05 m Số chóp phân bố trên đĩa : Với D : đường kính trong của tháp , m dh : đường kính ống hơi của chóp , m => . Chọn n = 26 (chóp ) . - Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi : h2 = 0,25.dh = 0,25.0,05 = 0,0125 m = 12,5 mm. - Đường kính chóp : Với dch :chiều dày chóp , chọn dch = 2,5 mm Vậy mm Khoảng cách từ mặt dĩa đến chân chóp : S = 0 ¸ 25 mm , chọn S = 5 mm. Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp : h1 = 15 ¸ 40 mm , chọn h1 = 20 mm - Chiều cao khe chóp : Công thức trang IX.215 trang 236 Sổ tay QTTB tập 2. Với wy = ; Vy -lưu lượng hơi đi trong đoạn luyện ,m3/h ; - hệ số trở lực của đĩa chóp , chọn x = 2 rx ,ry - khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và hơi ,kg/m3. rx = 800,6 kg/m3 ; ry = 0,982 kg/m3 . *Tính Vy : Vy = rytb - khối lượng riêng trung bình pha hơi trong đoạn luyện , kg/m3 . Þ wy = m/s . Þ Chiều cao của khe chóp b = = 11 mm . Số lượng khe hở của mỗi chóp : Với gtb - lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện , kg/h . Với c - khoảng cách giữa các khe , chọn c = 3 mm Þ i = khe . Đường kính ống chảy chuyền : ; Với GX - lưu lượng lỏng trung bình đi trong doạn luyện , kg/h GX = 672,47 kg/h. rX - khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện, rX = 800,6 kg/m3 z - số ống chảy chuyền , chọn z = 1. wC - tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền , chọn wC = 0,15 m/s . Vậy Khoảng cách từ mép dưới ống chảy chuyền đến đĩa : S1 =0,25.dC = 0,25.0,045 = 0,01125 (m) = 11,25 (mm). Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa : hC = (h1 +b +S) - Dh . Trong đó : Dh - chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền : Dh = Với V - thể tích chất lỏng chảy qua , V = Þ Dh = = 9,3 mm hC = (20 + 11 + 5) - 9,3 = 26,7 mm. Bước tối thiểu của chóp trên đĩa : tmin = dch + 2.dch + l2 , Với l2 = 12,5 + 0,25.dch = 31,08 mm , lấy l2 = 35 mm tmin = 74,33 + 2.2,5 + 35 = 114,33 mm . Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất : t1 = Trong đó dC - bề dày ống chảy chuyền , chọn dC = 3 mm . l1 - khoảng cách nhỏ nhất giữa ống chảy chuyền và chóp ,chọn l1 = 75 mm . Vậy t1 = 2.Các kết cấu đĩa phần luyện : Đường kính ống hơi dh = 50 mm Số chóp n = 26 chóp - Đường kính chóp dch = 74,33 mm Chiều cao chóp trên ống dẫn hơi h2 = 12,5 mm Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 5 mm Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp h1 = 20 mm Chiều cao khe chóp b = 11 mm Khoảng cách giữa các khe c =3 mm Số khe hở của mỗi chóp i = 18 khe Đường kính ống chảy chảy chuyền dC = 45 mm Chiều cao lớp chất lỏng ở trên ống chảy chuyền Dh = 9,3 mm Khoảng cách từ mép dưới ống chảy chuyền đến đĩa S1 = 11,25 mm Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa hC = 26,7 mm Bề dày ống chảy chuyền dC = 3 mm Bề dày chóp dch = 2,5 mm Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất t1 = 140,2 mm Koảng cách giữa hai tâm chóp tmin = 114,33 mm Khoảng cách nhỏ nhất giữa hai chóp l2 = 35 mm Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền l1 = 75 mm . II.Kết cấu đĩa đoạn chưng : 1.Tính toán: Các công thức có gía trị sau được tra ở trang 236 Sổ tay QTTB tập 2 : Đường kính ống hơi của chóp dh = 50 mm = 0,05 m Số chóp phân bố trên đĩa : Với D : đường kính trong của tháp , m dh : đường kính ống hơi của chóp , m => . Chọn n = 26 (chóp ) . - Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi : h2 = 0,25.dh = 0,25.0,05 = 0,0125 m = 12,5 mm. - Đường kính chóp : Với dch :chiều dày chóp , chọn dch = 2,5 mm Vậy mm Khoảng cách từ mặt dĩa đến chân chóp : S = 0 ¸ 25 mm , chọn S = 5 mm. Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp : h1 = 15 ¸ 40 mm , chọn h1 = 20 mm - Chiều cao khe chóp : Công thức trang IX.215 trang 236 Sổ tay QTTB tập 2. Với wy = ; Vy -lưu lượng hơi đi trong đoạn chưng ,m3/h ; - hệ số trở lực của đĩa chóp , chọn x = 2 rx ,ry - khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và hơi ,kg/m3. rx = 902,53 kg/m3 ; ry = 0,744 kg/m3 . *Tính Vy : Vy = rytb - khối lượng riêng trung bình pha hơi trong đoạn chưng , kg/m3 . Þ wy = m/s . Þ Chiều cao của khe chóp b = = 10 mm . Số lượng khe hở của mỗi chóp : Với gtb - lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện , kg/h . Với c - khoảng cách giữa các khe , chọn c = 3 mm Þ i = khe . Đường kính ống chảy chuyền : ; Với GX - lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng , kg/h GX = 1361,07 kg/h. rX - khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng, rX = 902,53 kg/m3 z - số ống chảy chuyền , chọn z = 1. wC - tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền , chọn wC = 0,15 m/s . Vậy Khoảng cách từ mép dưới ống chảy chuyền đến đĩa : S1 =0,25.dC = 0,25.0,0596 = 0,0149 (m) = 14,9 (mm). Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa : hC = (h1 +b +S) - Dh . Trong đó : Dh - chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy chuyền : Dh = Với V - thể tích chất lỏng chảy qua , V = Þ Dh = = 11,4 mm hC = (20 + 10 + 5) - 11,4 = 23,6 mm. Bước tối thiểu của chóp trên đĩa : tmin = dch + 2.dch + l2 , Với l2 = 12,5 + 0,25.dch = 27,4 mm ,là khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp , lấy l2 = 35 mm tmin = 74,33 + 2.2,5 + 35 = 114,33 mm . Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất : t1 = Trong đó dC - bề dày ống chảy chuyền , chọn dC = 3 mm . l1 - khoảng cách nhỏ nhất giữa ống chảy chuyền và chóp ,chọn l1 = 75 mm . Vậy t1 = 2.Các kết cấu đĩa phần luyện : Đường kính ống hơi dh = 50 mm Số chóp n = 26 chóp - Đường kính chóp dch = 74,33 mm Chiều cao chóp trên ống dẫn hơi h2 = 12,5 mm Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 5 mm Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp h1 = 20 mm Chiều cao khe chóp b = 10 mm Khoảng cách giữa các khe c =3 mm Số khe hở của mỗi chóp i = 14 khe Đường kính ống chảy chảy chuyền dC = 59,6 mm Chiều cao lớp chất lỏng ở trên ống chảy chuyền Dh = 11,4 mm Khoảng cách từ mép dưới ống chảy chuyền đến đĩa S1 = 14,9 mm Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa hC = 23,6 mm Bề dày ống chảy chuyền dC = 3 mm Bề dày chóp dch = 2,5 mm Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất t1 = 147,5 mm Koảng cách giữa hai tâm chóp tmin = 114,33 mm Khoảng cách nhỏ nhất giữa hai chóp l2 = 35 mm Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền l1 = 75 mm . Phần 3 : TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH I.Tính thân thiết bị chính : Tháp chưng luyện ở áp súât khí quyển P = 760 mmHg = 1,01.105 N/m2 là áp suất thấp và trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn (theo Sổ tay QTTB tập 2 trang 360). Chiều dày thân hình trụ làm việc dưới áp suất P được tính theo công thức XIII.8 trang 360 Sổ tay QTTB tập 2 : ,m Trong đó Dt - đường kính trong của tháp ,m j - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc C - số bổ sung do ăn mòn ,bào mòn và dung sai về chiều dày,m [s ]- úng suất cho phép của vật liệu Tra bảng XIII.9 trang 364 Sổ tay QTTB tập 2 ta thấy thép X18H10T phù hợp với thân hình trụ hàn được dùng với thiết bị làm việc ở áp suất thấp và trung bình (<1,6.106N/m2 ).X18H10T là loại thép không rỉ ,thành phần gồm C,Ni,Cr,Mo,Ti . Thép X18H10 T có khối lượng riêng r = 7,9.103 kg/m3 , Hệ số dẫn nhiệt l = 16,3 W/m.độ (20 ¸ 1000C) *Xác định [s]: Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo theo bảng XIII.4 trang 357 Sổ tay QTTB tập 2 được xác định theo công thức XIII.1 và XIII.2 trang 355 Sổ tay QTTB tập 2:(Thép cacbon làm việc ở nhiệt độ < 4200C) (1) ,N/m2 (2) , N/m2 Trong đó h - hệ số điều chỉnh ,tra ở bảng XIII.2 chọn h = 1 . nb ,nC -hệ số an toàn theo giới hạn bền ,giới hạn chảy, tra ở bảng XIII.3 được nb = 2,6 , nc = 1,5 . [s k] -ứng suất cho phép khi kéo . stk ,stc -giới hạn bền khi kéo ,giới hạn bền khi chảy ở t0C. Tra bảng XII.4 trang 310 Sổ tay QTTB tập 2 với thép X18H10T ta có : sk = 540.106 N/m2 , sc = 220 .106 N/m2 . (1) Þ [s k] = (2) Þ [sk] = Ta chọn giá trị bé nhất để tính tiếp [s] = 146,7.106 N/m2 . Tra bảng XIII.8 trang 362 Sổ tay QTTB tập 2 với kiểu hàn tay bằng hồ quang điện ,hàn giáp mối hai bên ta chọn hệ số bền mối hàn jh = 0,95 *Tính P : trong tháp là hỗn hợp lỏng - khí nên áp suất làm việc bằng tổng số áp suất Pmt hơi và áp suất thủy tĩnh Ptcủa cột chất lỏng . Pmt = 760 mmHg = 1,01.105N/m2. Ap suất thủy lực của cột chất lỏng được xác định theo công thức XIII.10 trang 360 Sổ tay QTTB tập 2 : Pt = g.r1.H1 , N/m2 . Trong đó : + rt -khối lượng riêng của chất lỏng ,kg/m3 Để đảm bảo khả năng chịu đựng của tháp khi gặp trường hợp làm việc bất thường ta lấy rt là khối lượng riêng lớn nhất của chất lỏng trong tháp ,nghĩa là rt = rW . ra180 = 736 kg/m3 , ra2100 = 714 kg/m3 rb180 = 972 kg/m3 , rb2100 = 958 kg/m3 Bằng phương pháp nội suy ta có : Khối lượng riêng của hỗn hợp : rhh = rt = 953,64 kg/m3 . + Ht - chiều cao cột chất lỏng,m (lấy chiều cao lớn nhất = chiều cao tháp) Ht = Ntt(h + d ) + 0,8 , m Với Ntt : số đĩa thực tế , Ntt = 31 đĩa . h : khoảng cách giữa các đĩa , h =0,3 m : bề dày của đĩa , chọn d = 0,003 m Þ Ht = 31(0,28 + 0,003) + 0,8 = 9,573 m Vậy Pt = 9,81.953,64.9,573 = 89 557,4 N/m2 P = Pmt + Pt = 101 000 + 89 557,4 =190 557,4 N/m2 Với vật liệu bền , ta có : nên ta bỏ qua P ở mẫu số khi tính S . *Tính C : C = C1 +_ C2 + C3 ,m Trong đó C1 - bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường .Ở đây ta lấy C1 = 1 mm , tính cho thời gian làm việc từ 15¸ 20 năm ,với độ ăn mòn vật liệu là 0,05¸ 0,1 mm/năm . C2 - đại lượng bổ sung do bào mòn khi nguyên liệu có hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn , ở đây C2 được bỏ qua , C3 - đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm vật liệu ,với vật liệu X18H10T thì C3 =0,22 mm (tra bảng XIII.9 Sổ tay QTTB tập 2 ) Vậy C = 1 + 0,22 = 1,22 mm Do đó S = *Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử :Theo công thức XIII.26 trang 365 Sổ tay QTTB tập 2 : £ P0 : áp suất thử ,được tính : P0 = Pth + P1 Pth :áp suất thử thủy lực ,theo bảng XIII.5 trang 358 Sổ tay QTTB tập 2 thì Pth = 1,5.P =1,5.190 557,4 = 285 836,1 N/m2 . Pt :áp suất thủy tĩnh của nước , Pt = 89 557,4 N/m2 . Þ Po = 258 836,1 + 89 557,4 = 375 393,5 N/m2 Ta có : VT = = 484 958,11 N/m2 VP = = 122,25.106 N/m2 > VT Vậy S = 1,77 mm là thỏa mãn , tuy nhiên để chịu được tải trọng của tháp và tăng tính bền vững của tháp ta chọn bề dày tháp là S = 4 mm . II.Tính đáy và nắp thiết bị: Thông thường người ta dùng đáy và nắp elip đôí với thiết bị có thân hàn thẳng đứng chịu áp suất trong lớn hơn 7.104 N/m2 .Trong trường trường hợp thiết kế tháp chưng luyện làm việc ở áp suất khí quyển nên ta sử dụng đáy và nắp có gờ có dạng elip có đường kính trong là 0,8m .Chọn vật liệu của đáy và nắp giống như vật liệu của thân tháp. Theo hình XIII.11 trang 381 Sổ tay QTTB tập 2 ta có : Chiều cao phần lồi đáy : hb = 0,25.Dt = 0,25.0,8 = 0,2 m . Chọn chiều cao của gờ là 25 mm. Bề dày đáy và nắp thiết bị được tính theo công thức XIII.47 trang 385 Sổ tay QTTB tập 2 : ,m . Trong đó jh - hệ số bền của mối hàn hướng tâm ,tra bảng XIII.8 trang 362 Sổ tay QTTB tập 2 chọn jh = 0,95 k - hệ số không thứ nguyên ,chon k =1 . C - đại lượng bổ sung C = 0,00122 m. Vì nên bỏ qua P ở mẫu số khi tính S. Vậy S =m = 1,6 mm Do S-C = 0,48 < 10 nên thêm 2mm vào giá tri S tính ở trên . Vậy S = 3,6 mm ,để an toàn ta chọn S = 4 mm . *Kiểm tra ứng suất theo áp suất thủy tĩnh : Điều kiện thỏa mãn : £ , N/m2 Công thức XIII.49 trang 386 Sổ tay QTTB tập 2 . Þ 59 952 688,77 N/m2 N/m2 > s Vậy bề dày của đáy và nắp tháp S = 4mm là thỏa mãn . III.Tính bề dày lớp cách nhiệt : Để tránh tổn thất nhiệt cho môi trường xung quanh ,đảm bảo cho quá trình chưng luyện đạt hiệu suất cao nhất thì ta phải trang bị cho tháp chưng luyện một lớp cách nhiệt . Chọn vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt nhỏ : l = 0,0372 W/m.độ Ta giả thiết như sau : -Nhiệt độ không khí tkk = 250C, -Nhiệt độ bên ngoài lớp cách nhiệt : t = 500C , -Xem đây là quá trình nhiệt ổn định qua vách phẳng . -Để đảm bảo khả năng cách nhiệt cho toàn tháp ta chọn nhiệt độ làm việc trong tháp là 1000C. Nhiệt tải riêng ra môi trường xung quanh : q = Dt.a ,W/m2 . Trong đó : Dt - hiệu số nhiệt độ giữa tường bên ngoài của thiết bị với môi trường , Dt = 50 - 25 = 25 0C . a - hệ số cấp nhiệt từ bề mặt thiết bị ra ngoài môi trường ,được tính theo công thức V.75 trang 24 Sổ tay QTTB tập 2 : a = = W/m2.độ . = > q = 25. 4,427 = 110,68 W/m2 Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ mặt ngoài tháp : Dt1 = 100 - 50 = 500C . Mặt khác ta có : Dt1 = q. Với là nhiệt trở tổng cộng , m2.độ/W. Được tính : = r1 + r2 + r3 Trong đó: r1: nhiệt trở lớp nước ngưng ,r1 = 10-3/0,2538 = 3,94.10-3 m2.độ/W. r2: nhiệt trở thành thiết bị , r2 = 4.10-3/16,3 = 0,2454.10-3 m2.độ/W. r3: nhiệt trở lớp cách nhiệt dày d , r3 = d/0,0372 m2.độ/W Do đó : = Dt1/q = 50/110,68 = 0,4517 m2.độ/W Suy ra : r3 = - r1 - r2 = 0,4475 m2.độ/W = > d = r3.0,0372 = 0,017 m = 17mm Để đảm bảo cách nhiệt tốt ta chọn lớp cách nhiệt có bề dày 20 mm. IV.Tính đường kính các loại ống dẫn : Đường kính ống dẫn được tính theo công thức II.36 trang 369 Sổ tay QTTB tập 1 : , m . Với V : lưu lượng thể tích , m3/h , w : tốc độ trung bình của chất lỏng và khí , cho ở bảng II.2 trang 369 Sổ tay QTTB tập 1. 1.Đường kính ống dẫn hồn hợp đầu vào đĩa tiếp liệu : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu vào tháp là 890C , theo bảng I.2 trang 9 Sổ tay QTTB tập 1 ta có : Khối lượng riêng của hỗn hợp : ra ,rb : khối lượng riêng của metylic và nước , xA ,xB :nồng độ phân khối lượng của metylic và nước . rhh = 788,7 kg/m3 . Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống : V = Hỗn hợp tự chảy vào tháp nên chọnvận tốc chất lỏng đi trong ống là w = 0,20 m/s. Vậy đường kính ống dẫn là : 2.Đường kính ống dẫn từ thiết bị ngưng tụ hồi lưu về tháp : Nhiệt độ của lỏng hồi lưu là 65,50C ,khối lượng riêng của lỏng hồi lưư tính tương tự như trên được rhh = 755,5 kg/m3 . Lưu lượng thể tích chất lỏng chảy trong ống : Hỗn hợp tự chảy vào tháp nên ta chọn w = 0,25 Vậy đường kính ống dẫn là : (m) = 40 (mm). 3.Đường kính ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp : Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp gđ = 1336,4 kg/h . Phân tử lượng trung bình của hơi đi ra khỏi đỉnh tháp : MTB = 32.0,962 + 18.0,038 = 31,468 đvC Khối lượng riêng của hơi ra khỏi đỉnh tháp ở 65,50C là : - I.3 Sổ tay QTTB tập 1. Lưu lượng hơi đi trong ống : V = Chọn vận tốc hơi đi trong ống là w = 20 m/s . Vậy đường kính ống dẫn hơi là : 4.Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy : Khối lượng riêng của sản phẩm đáy ở 970C đã tính ở phần tính cơ khí thiết bị chính rhh = 953,64 kg/m3 . Lưu lượng thể tích : V = Chọn vận tốc chất lỏng đi trong ống là w = 0,26 m/s . Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm đáy : » 50 mm 5.Đường kính ống dẫn hơi nước bão hòa vào đáy tháp để đun sôi lại : Với lượng hơi đốt đi vào D2 = 863,24 kg/h (đã tính ở phần cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện ) ta chọn đường kính ống dẫn hơi là 100 mm và đường kính ống dẫn nước ngưng ra là 40 mm.. V.Chọn bích : Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.Vì tháp làm việc ở áp suất khí quyển nên ta chọn kiểu bích liền . 1.Bích để nối thân thiết bị, nắp và đáy : Theo bảng IX.5 trang 170 Sổ tay QTTB tập 2 ứng với Dt = 800 mm , khoảng cách giữa hai đĩa là 280 mm thì số đĩa giữa hai mặt bích liên tiếp là 4 . Với 31 đĩa ta có tất cả là 10 bộ bích nối thân ,nắp và đáy . Theo bảng XIII.27 trang 420 Sổ tay QTTB tập 2 ta chọn bích kiểu 4 để nối các đoạn thân tháp , nối nắp và nối đáy .Để đảm bảo bích chịu được khi gặp trường hợp làm việc bất thường ta chọn áp suất Py bằng áp suất thử P0 đã tính trong phần cơ khí thiết bị chính , Py » 0,3.106 N/m2 . Số liệu của bích được cho ở bảnh sau : Py.106 N/m2 Dt mm Kích thước nối (mm) Kiểu bích D Db D1 D0 Bulông 4 db z h h1 0,3 800 930 880 850 811 M20 24 22 3 Giữa hai bích có một lớp lót bề mặt đệm bít kín để đảm bảo độ kín của tháp ,kích thước của bề mặt đệm bít kín tra ở bảng XIII.31 trang 433 Sổ tay QTTB tập 2 ứng với Dy = 800 mm là D2 = 847 mm , D4 = 827 mm . 2.Bích để nối ống dẫn với thiết bị : Để nối các ống dẫn với thân thiết bị ta dùng kiểu bích liền bằng kim loại đen .Tra bảng XIII.26 trang 409 Sổ tay QTTB tập 2 ta có bảng số liệu sau : Py.106 N/m2 Dy mm Kích thước nối (mm) Kiểu bích Dn D Dd D1 Bulông 1 db z h 0,25 0,6 40 45 130 100 80 M12 4 14 0,25 0,6 50 57 140 110 90 M12 4 14 0,25 0,6 70 76 160 130 110 M12 4 14 0,25 0,6 100 108 205 170 148 M16 4 14 0,25 0,6 150 159 260 225 202 M16 8 16 Ống dẫn được nối với thiết bị thông qua mối ghép tháo được ,do đó ta phải dùng đoạn ống nối ,đó là đoạn ống ngắn có mặt bích .Kích thước chiều dài ống nối ta chọn ở bảng XIII.32 trang 434 Sổ tay QTTB tập 2 : Dy (mm) 40 50 70 100 150 l (mm) 100 100 110 120 130 VI.Tính tải trọng của tháp : Khối lượng của tháp bao gồm tổng khối lượng của thân tháp , đáy,nắp ,lớp cách nhiệt ,chất lỏng trong tháp ,bích và đĩa. 1.Khối lượng cuả thân tháp : Tính theo công thức : ,kg . Trong đo H :chiều cao tháp chưa kể đáy và nắp , H = Ntt(h + d ) = 31(0,28 + 0,003) = 8,773 m r : khối lượng riêng của thép X18H10T, r = 7900 kg/m3 . Dt :đường kính trong của tháp , Dt = 0,8 m. Dn :đường kính ngoài của tháp , Dn = Dt + 2.S = 0,8 + 2.0,004 = 0,808 m Vậy 2.Khối lượng của đáy và nắp elip có gờ : Tra bảng XIII.11 trang 384 Sổ tay QTTB tập 2 ta được khối lượng của đáy và nắp elip có gờ ứng với đường kính trong của tháp 0,8 m , chiều dày đáy và nắp 4 mm , chiều cao gờ 25 mm là : G2 = 2.24,2 = 48,4 kg . 3.Khối lượng của chất lỏng trong tháp : Xem chất lỏng chiếm đầy tháp ,ta sẽ bỏ qua khối lượng của các ống chảy chuyền và các chóp. G3 = V.rhh ,kg Trong đó V : thể tích chất lỏng , V = m3 . rhh : khối lượng riêng của chất lỏng , lấy khối lượng riêng lớn nhất , rhh = 953,64 kg/m3 . Vậy G3 = 4,41.953,64 = 4 205,55 kg . 4.Khối lượng của các đĩa : Để đơn giãn ta coi đĩa là một tấm tròn không bị khóet lỗ có chiều dày d nên khối lượng của 31 đĩa là : G4 = 31.t2.d.r = 5.Khối lượng lớp cách nhiệt : Bề dày lớp cách nhiệt là 20 mm Khối lượng bông thủy tinh bao quanh thân tháp ,cả phần gờ của đáy và nắp : m1 = = Khối lượng phần bông thủy tinh phủ đáy và nắp : m2 = 2.Fđáy.0,02.r = 2.0,82.0,02.200 = 6,56 kg Vậy khối lượng lớp bông cách nhiệt : G5 = m1 + m2 = 45,35 + 6,56 = 51,91 kg . 6.Khối lượng của bích : *Khối lượng các bích nối thân , nắp và đáy : Một cách gần đúng ta có khối lượng một bích đơn (không tính đến các lỗ khóet để vặn bulông nên bỏ qua khối lượng của các bulông): mđ = Dùng 10 bộ bích = 20 bích đơn ,nên khối lơựng toàn bộ 10 bộ bích là m1 = 20.12,35 = 247 kg . *Khối lượng các bích nối ống dẫn với thân tháp : - Bích nối ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp: Vậy khối lượng cặp bích này : m2 = 2.1,72 = 3,44 kg - Bích nối ống dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp : m3 = - Bích nối ống dẫn dung dịch đáy : m4 = 2. - Bích nối ống dẫn lỏng hồi lưu : m5 = 2. - Bích nối ống dẫn hơi đốt : m6 = 2. - Bích nối ống dẫn nước ngưng : m7 = m5 = 2,58 kg Vậy tổng các loại bích nối thân,nắp ,đáy và ống dẫn : G6 = m1 +m2 +m3 +m4 +m5 +m6 +m7 = 272,11 kg Tổng khối lượng toàn tháp : G = G1+G2+G3+G4+G5+G6 = 5 647,5 kg . VII.Chọn tai treo ,chân đỡ : 1.Chọn tai treo : Ta dùng 4 tai treo kiểu VII(Hình XIII.21),do đó tải trọng trên một tai treo: G = Theo bảng XIII.36 trang 438 Sổ tay QTTB tập 2 thì ta chọn tai treo có các số liệu sau : Tải trọng cho phép trên một tai treo Gcp = 25 000 N > G , Bề mặt đỡ F = 173 m2 , Tải trọng cho phép lên một bề mặt đỡ q = 1 450 000 N/m2 , Tải trọng thực tế lên một bề mặt đỡ : q = N/m2 < qcp đơn vị :mm L B B1 H S L a d 150 120 130 215 8 60 20 30 2.Chọn chân đỡ : Ta chọn chân đõ kiểu III, với tải trọng trên một chân là 14118,75 N nên ta chọn chân đỡ có các số liệu sau : Tải trọng cho phép trên một chân Gcp = 25 000 N > G , Bề mặt đỡ F = 444.10-4 m2 , Tải trọng cho phép lên một mặt đỡ qcp = 560 000 N/m2 , Tải trọng thực tế lên một chân đỡ q = < qcp . đơn vị :mm L B B1 B2 H h s L d 250 180 215 290 350 185 16 90 27 Phần 4 : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ I.Tính toán thiết bị ngưng tụ hồi lưu : Để nâng cao khả năng phân tách các cấu tử trong quá trình phân tách ta cần tạo ra quá trình tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi,diều này được thực hiện ở trong tháp .Để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh và để tránh hiện tượng khô đĩa ở những đĩa trên cùng ta cho một phần sản phẩm đỉnh hồi lưu trở lại tháp ,điều này được thực hiện nhờ thiết bị ngưng tụ hồi lưu .Đây là nơi xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi đi ra từ đỉnh tháp với nước làm lạnh, lượng nhiệt trao đổi ở đây đúng bằng nhiệt lượng cần cung cấp để hóa hơi lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp .Trong điều kiện này ta dùng thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm, hệ thống này có ưu điểm là gọn ,chắc chắn ,ít tốn kim loại ,bề mặt truyền nhiệt lớn ,dễ kiểm tra quan sát ,sửa chữa ,làm vệ sinh. Trong thiết bị này , tác nhân nóng là hơi đi ra từ đỉnh tháp (rượu metylic) có độ tinh khiết cao nên ta cho đi bên ngoài chùm ống , còn tác nhân làm lạnh là nước lạnh ta cho đi bên trong các ống để dễ làm vệ sinh khi các chất bẩn bám trong ống .Để đảm bảo truyền nhiệt triệt để ,tiết kiệm lượng nước ta cho hai lưu thể chuyển động ngược chiều ,hơi đi từ trên xuống ,nước đi từ dưới lên . Ơ đây ta tính toán để thiết bị ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi đi ra khỏi tháp. Nhiệt độ của hơi là 65,50C . Nhiệt độ đầu của nước được chọn 250C . Nhiệt độ cuối của nước được chọn 450C , để tránh hiện tượng các muối dễ kết tủa và đóng cặn lại trên bề mặt trong ống . Trong phần cân bằng nhiệt lượng cho tháp ta đã tính lượng nước cần thiết để ngưng tụ hoàn toàn hơi ra khỏi đỉnh tháp là Gn2 = 46 638,4 kg/h . Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp là 1336,4 kg/h . Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể chuyển động ngược chiều được xác định theo công thức V.8 trang 5 Sổ tay QTTB tập 2 : ,độ . Trong đó Dt1 và Dt2 là hiệu số nhiệt độ lớn và nhỏ của hai lưu thể ,độ .Ở đây ta có : Dt1 = 65,5 - 25 = 40,5 0C , Dt2 = 65,5 - 45= 20,50C . nên Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh được tính theo công thức V.21 trang 10 Sổ tay QTTB tập 2 : t = T1. 1).Đối với phía hơi : Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức V.100 trang 28 Sổ tay QTTB tập 2: a1 = ,W/m2.độ Trong đó : r : ẩn nhiệt ngưng , r = 268,07 kcal/kg = 1 122 400 J/kg (đã tính ở phần tính đường kính đoạn luyện). r :khối lượng riêng của lỏng ngưng ,được tính : Ở 65,50C metylic có khối lượng riêng rA = 750,5 kg/m3 . Ở 65,50C nước có khối lượng riêng rB = 979,975 kg/m3 . = > rhh = kg/m3 H: chiều cao ống , chọn H = 2 m . l : hệ số dẫn nhiệt của lỏng ngưng ,W/m.độ ,được xác định theo công thức I.23 trang 123 Sổ tay QTTB tập 1 : l = , W/m.độ Với A = 3,58.10-8 ,vì chất lỏng liên kết(nước ,rượu metylic) CP : nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng,J/kg.độ ,xem chất lỏng là rượu metylic 100% nên CP65,5 = 2 787,5 J/kg.độ . r = 754,03 kg/m3 đã tính ở trên . M: phân tử lượng trung bình của lỏng ngưng M = 0,965.32 + (1-0,965).18 = 31,51 Vậy l = ,W/m.độ m :độ nhớt của lỏng ngưng , m = 0,488.10-3 N.s/m2 T1 :hiệu số giữa nhiệt độ ngưng tn và nhiệt độ mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng , tn = 65,5 0C , lấy tT1 = 620C . = > Dt1 = 3,50C . Vậy hệ số dẫn nhiệt : a1 = Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ : q1 = a1.Dt1 = 2428,6.3,5 = 8 500,1 W/m2 2.Đối với phía nước làm lạnh : Hệ số cấp nhiệt tính theo V.33 trang 11 Sổ tay QTTB tập 2 : Trong đó : l :Hệ số dẫn nhiệt của nước ,tra bảng I.130 trang 134 Sổ tay QTTB tập 1 được hệ số dẫn nhiệt của nước ở nhiệt độ trung bình 36,130C : l = W/m.độ d :Đường kính ống truyền nhiệt,chọn d = 0,03 m. Nu :Chuẩn số Nuyxen, được tính theo V.40 trang 4 Sổ tay QTTB tập 2 Nu = Với : Prt :Chuẩn số Pran của dòng tính theo nhiệt độ trung bình của tường.Vì Chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ nên . Re :Chuẩn số Raynon ,giả sử nước chảy rối với Re = 104 . Pr : Chuẩn số Pran ,tính theo V.35 trang 12 Sổ tay QTTB tập 2: CP :Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước ở 36,130C theo Bảng I.147 trang 165 Sổ tay QTTB tập 1: CP = 4 180,5 J/kg.độ m : Độ nhớt của nước ở 36,130C , theo bảng I.102 trang 94 Sổ tay QTTB tập 1 , m = 0,7085.10-3 N.s/m2 l : Hệ số dẫn nhiệt của nước ở 36,130C ,l = 0,77115 W/m.độ = > Pr = e 1 :Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống ,theo bảng V.2 thì e 1 = 1 . = > Nu = 0,021.(104)0,8.3,840,43 = 59,36 Vậy a2 = W/m2.độ Nhiệt tải riêng về phía nước : q2 = a2.Dt2 Dt2 là hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ thành bên trong tường ống với nhiệt độ trong dòng nước , chọn Dt2 = 50C . q2 = 1 837,9.5 = 9189,5 W/m2 . = > q = 8 844,75 W/m2 3.Số ống truyền nhiệt và cách sắp xếp : Bề mặt truyền nhiệt : F = m2 Số ống cần dùng : n = ống . Lấy số ống là 241 ống .Theo bảng V.11 trang 48 Sổ tay QTTB tập 2 ,ứng với số ống là 241 và sắp xếp theo hình 6 cạnh đều thì ta bố trí 241 ống thành 8 vòng 6 cạnh với số ống trên đường chéo chính của hình 6 cạnh là 17 ống ,số ống trong mỗi hình viên phân ở dãy thứ nhất là 4 ống và tổng số ống trong các hình viên phân là 24 ống . Theo công thức V.140 trang 49 Sổ tay QTTB tập 2 thì đường kính trong của thiết bị được tính : D = t.(b -1) + 4.d ,m Với d: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt , d = 0,03 + 0,0015.2 = 0,033 m t : bước ống , t = 1,2.d = 0,0396 m b: số ống trên đường chéo chính của hình 6 cạnh , b = 17 = > D = 0,0396.(17-1) + 4.0,033 = 0,7656 m. Chọn D = 0,8 m. Vậy thiết bị ngưng tụ có đường kính đường kính trong la 0,8 m , gồm 241 ống xếp theo hình lục giác đều gồm 8 vòng . Mỗi ống dài 2 m ,đường kính trong 0,03 m ,dày 0,0015 m . II.Tính và chọn bơm : Để vận chuyển hỗn hợp đầu từ bể chứa lên thùng cao vị ta sử dụng bơm ,đó là một máy thủy lực dùng để truyền động năng và vận chuyển chất lỏng .Trong điều kiện năng suất và yêu cầu về kinh tế ,kỹ thuật để vận chuuyển hỗn hợp metylic - nước ở nhiệt độ môi trường ta chọn bơm ly tâm .Loại bơm này có nhiều ưu điểm : Cung cấp đều Quay với tốc độ nhanh(có thể gắn trực tiếp với động cơ) Thiết bị đơn giản Không có xupap nên ít bị tắc và hư hỏng Có thể bơm được nhiều loại chất lỏng 1.Tính năng suất bơm: Hỗn hợp đầu ở 250C cung cấp cho tháp với lưu lượng 2000kg/h hay 2,2 m3/h hay 6,12.10-4 m3/s với khối lượng riêng hỗn hợp đầu ở 250C là 908,3kg/m3 . Đường kính ống dẫn được tính theo công thức II.36 trang 369 Sổ tay QTTB tập 1: ,m Trong đó : w :Tốc độ trung bình ,m/s.Chọn w = 2m/s. V:Lưu lượng thể tích ,m3/s. = > m. 2.Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục mọi sức cản thủy lực trong hệ thống khi dòng chảy đẳng nhiệt : Áp suất này tính theo II.53 trang 376 Sổ tay QTTB tập 1 : DP = DPđ + DPm + DPH + DPC Trong đó : DPđ : Áp suất động học ,là áp suất cần thiết để tạo tộc độ cho dòng chảy trong ống dẫn. DPm : Áp suất để khắc phục trở lực ma sát . DPH : Áp suất để nâng chất lỏng lên cao. DPC : Áp suất khắc phục trở lực cục bộ . *Tính DPđ : Theo công thúc II.54 trang 376 Sổ tay QTTB tập 1 : ,N/m2 r : khối lưựng riêng của hỗn hợp ,r = 908,3 Kg/m3. w : vận tốc lưu thể , w = 2 m/s. = > DPđ = N/m2 *Tính DPm : Theo công thức II.55 Sổ tay QTTB tập 1 : N/m2 L: chiếu dài ống dẫn , L= 15 m. dtđ: đường kính tương đương của ống ,dtđ = 0,02 m. l :hệ số ma sát ,phụ thuộc vào chế độ chuyển động của chất lỏng và độ nhám của thànnh ống. Chuẩn số Râynôn: m : độ nhớt chất lỏng ,ở 250C hỗn hợp metylic -nước 38% có độ nhớt 1,7.10-3N/m2. = > Re = Re > 104 nên chất lỏng chảy xoáy. Chuẩn số Râynôn giới hạn của khu vực nhẵn thủy lực : Regh = e : độ nhám tuyệt đối ,theo bảng II.15 trang 381 Sổ tay QTTB tập 1 chọn e = 0,2mm = > Re > Regh . Chuẩn số Râynôn khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám : Ta thấy Regh < Re < Ren , nên l phụ thuộc vào chuẩn số Râynôn và độ nhám của thành ống ,tính theo II.64 trang 379 Sổ tay QTTB tập 1 : = > DPm = N/m2 *Tính DPC : Theo II.56 trang 377 Sổ tay QTTB tập 1 : x : hệ số trở lức cục bộ. Chọn hệ thống gồm 2 khuỷu ghép 900 do hai khuỷu 450 tạo thành ,có trở lực x1 ,một van một chiều trước ống đẩy có hệ số trở lực x2 ,một van chắn trước ống đẩy để điều chỉnh lưu lượng có hệ số trở lực x3 . Tính x1 : Với khuỷu ghép 900 do hai khuỷu 450 tạo thành ,theo bảng II.16-N029 trang 394 Sổ tay QTTB tập 1 ,chọn a/b = 1 thì x1 = 0,38 . Tính x2 : Chọn van một chiều kiểu đĩa không có định hướng phía dưới .Với h -chiều cao mở của van ,b-chiều rộng vành đĩa ,D0-đường kính ống trước van,D0 = 0,02 m. Chọn b/D0 = 0,14 = > a = 0,71. Chọn h/D0 = 0,14 = > b = 7,9. = > x2 = 0,71 + 7,9 = 8,61 . Tính x3 : Chọn van chắn tieu chuẩn ,theo II.16-N037 trang 397 Sổ tay QTTB tập 1 ta có với D =20 mm thì x3 = 8. Tổng hệ số trở lực cục bộ của hệ thống ống dẫn : x = 2.x1 + x2 + x3 = 2.0,38 + 8,61 + 8 = 17,37 . Vậy áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ của hệ thống : DPC = N/m2 *Tính DPH : Theo công thức II.57 trang 377 Sổ tay QTTB tập 1 : DPH = r.g.H ,N/m2 với H = 13 m là chiều cao cần nâng chất lỏng . DPH = 908,3.9,81.13 = 115 835,5 N/m2 Vậy áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục mọi sức cản thủy lực : DP = DPđ + DPm + DPC + DPH = 200 025,8 N/m2 . 3.Công suất động cơ điện cần trang bị : Chiều cao toàn phần bơm cần tạo ra : m. Công suất yêu cầu trên trục bơm được xác định theo công thức II.189 trang 439 Sổ tay QTTB tập 1: ,KW. Q: năng suất bơm ,Q = 6,12.10-4 m3/s . h :hiệu suất chung của bơm ,h =0,8 . = > N = Công suất của động cơ điện : Nđc = ,KW - Công thức II.190 Sổ tay QTTB tập 1. htr :hiệu suất truyền động , chọn htr = 0,95 . hđc :hiệu suất động cơ điện ,chọn hđc = 0,75 . = > Nđc = Thường chọn động cơ điện có công suất lớn hơn công suất tính toán để đề phòng khi phải làm việc quá tải ,nên công suất động cơ thực tế : Ncđc = b.Nđc ,KW - Công thức II.191 Sổ tay QTTB tập 1 . b : hệ số dự trữ công suất ,cho ở bảng II.33 trang 439 Sổ tay QTTB tập 1 , ứng với Nđc = 0.215 < 1 thì b = 2 . = > Ncđc = 2.0,125 = 0,43 KW. Vậy cần sử dụng bơm có năng suất 6,12.10-4 m3/s với động cơ điện có công suất là 0,43 KW. Phần 5 : KẾT LUẬN Trên đây là toàn bộ các tính toán và đề nghị thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp metylic và nước bằng tháp chóp làm việc liên tục.Trong quá trình tính toán không tránh khỏi các thiếu sót ,em mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô . Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Ngọc Anh đã hướng dẫn em hoàn thành nhiệm vụ này. *Các tài liệu tham khảo : 1.Sổ tay Quá trình thiết bị tập 1 -Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 2.Sổ tay Quá trình thiết bị tập 2 -Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 3.Sách Cơ sở các quá trình và thiét bị công nghệ hóa học tập 1. 4.Sách Cơ sở các quá trình và thiét bị công nghệ hóa học tập 2. Đà nẵng tháng 11 năm 2002.